Bộ tiền xử lý tương tự sử dụng kỹ thuật điều khiển ổn định chopper cho hệ thống ghi tín hiệu điện não bệnh động kinh

Bài viết trình bày một cấu trúc chopper mới sử dụng cho bộ khuếch đại tương tự trở kháng đầu vào cực cao, nhiễu thấp và mạch tiền xử lý tương tự 8 kênh băng thông rộng (AFE) cho các hệ thống ghi thần kinh công suất thấp. Cấu trúc chopper mới được đề xuất sử dụng trong tầng CCIA để giảm việc nạp điện tích và truyền clock, giúp làm giảm nhiễu gợn tần số cao ở tín hiệu đầu ra bộ AFE. AFE đề xuất được thiết kế và mô phỏng bằng quy trình CMOS chuẩn 180nm và hoạt động ở dải tần rộng từ 2,1Hz đến 2500Hz với nhiễu tham chiếu đầu vào thấp 1,6 µVrms và CMRR trên 80dB ở 2,1Hz.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bộ tiền xử lý tương tự sử dụng kỹ thuật điều khiển ổn định chopper cho hệ thống ghi tín hiệu điện não bệnh động kinhISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 22, NO. 7, 2024 1 BỘ TIỀN XỬ LÝ TƯƠNG TỰ SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH CHOPPER CHO HỆ THỐNG GHI TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO BỆNH ĐỘNG KINH AN ANALOG FRONT-END BASED ON THE CHOPPER FOR EPILEPSY BRAIN RECORDING SYSTEMVũ Vân Thanh1, Nguyễn Thị Ngọc Anh2*, Huỳnh Hải Âu3, Nguyễn Văn Thọ3,4, Lê Hồng Nam1, Nguyễn Đức Hiển5 1 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, Việt Nam 2 Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng, Việt Nam 3 Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến - Đại học Đà Nẵng, Việt Nam 4 Viện Nghiên cứu và Đào tạo Việt Anh - Đại học Đà Nẵng, Việt Nam 5 Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông Việt-Hàn – Đại học Đà Nẵng, Việt Nam *Tác giả liên hệ / Corresponding author: ngocanhnt@ued.udn.vn (Nhận bài / Received: 02/5/2024; Sửa bài / Revised: 26/6/2024; Chấp nhận đăng / Accepted: 28/6/2024)Tóm tắt - Bài báo trình bày một cấu trúc chopper mới sử dụng Abstract - This paper presents a new chopper architecture usedcho bộ khuếch đại tương tự trở kháng đầu vào cực cao, nhiễu thấp for an ultra-high input impedance, low-noise analog amplifier andvà mạch tiền xử lý tương tự 8 kênh băng thông rộng (AFE) cho a broadband 8-channel analog preprocessor (AFE) circuit forcác hệ thống ghi thần kinh công suất thấp. Cấu trúc chopper mới power neural recording systems. A new chopper stabilizationđược đề xuất sử dụng trong tầng CCIA để giảm việc nạp điện tích control technique is proposed and used in the CCIA stage tovà truyền clock, giúp làm giảm nhiễu gợn tần số cao ở tín hiệu reduce the charge injection and clock feedthrough andđầu ra bộ AFE. AFE đề xuất được thiết kế và mô phỏng bằng quy consequently the high-frequency ripple of the AFE output signal.trình CMOS chuẩn 180nm và hoạt động ở dải tần rộng từ 2,1Hz The proposed AFE is simulated using a standard 180nm CMOSđến 2500Hz với nhiễu tham chiếu đầu vào thấp 1,6 µVrms và process and operates in a wide frequency band of 2.1Hz toCMRR trên 80dB ở 2,1Hz. Kết quả tổng mức tiêu thụ điện năng 2500Hz with low input-referred noise of 1.6µVrms and a CMRRthấp hơn 4,3µW trên mỗi kênh. Với cấu trúc AFE được đề xuất, over 80dB at 2.1Hz. The total power consumption is lower thantrở kháng đầu vào là 35GΩ tại 21Hz và trở kháng tối thiểu trên 4.3µW per channel, the input impedance is 35GΩ @ 21 Hz andbăng thông hoạt động là 75MΩ tại 2,5kHz. Cấu trúc chopper sử the minimum impedance over operational bandwidth is 75MΩ @dụng trong AFE đã giảm thiểu hơn 10dB tổng nhiễu tạo ra từ các 2.5kHz. The chopper structure used in the circuit reduces the totalclock điều khiển. noise generated from the control clocks by more than 10dB.Từ khóa - Tiền xử lý tương tự; thiết bị cấy ghép não; thiết bị cấy Key words - Analog front-end; biomedical implantable devices;ghép y sinh; ghi lại tín hiệu điện não; Công nghệ CMOS brain implantable devices; neural recording; Cmos Technology1. Đặt vấn đề hoặc dự đoán cơn động kinh của não. Hơn nữa, các kỹ thuật Trong những năm gần đây kích thích não sâu (Deep này đòi hỏi phải hoạt động liên tục trong môi trường khắcBrain Stimulation- DBS) đang được quan tâm nhiều trong nghiệt bao gồm nhiễu, sự không phối hợp trở kháng củađiều trị bệnh động kinh [1]. Với bộ điều khiển vòng hở, tín điện cực và tiếp xúc mô-điện cực [4]. Bài báo này mô tảhiệu kích thích được bác sĩ lâm sàng điều chỉnh bằng tay. các vấn đề và thách thức trong việc thiết kế một bộ khuếchDo đó, điều này có thể gây ra tác dụng phụ và rủi ro ảnh đại tương tự đầu cuối AFE (Analog Front-End) và đề xuấthưởng đến bệnh nhân nếu tín hiệu kích thích này không cấu trúc cho một AFE, đồng thời bộ khuếch đại AFE đượcđược kiểm soát tốt ở giá trị không đổi. Để khắc phục vấn áp dụng bộ chopper có cấu trúc mới. Phương pháp đề xuấtđề này, điều khiển vòng kín là một trong những phương tập trung vào việc mở rộng dải tần quan tâm của tín hiệupháp hiệu quả bằng cách thu thập và xử lý tín hiệu điện não được ghi lên đến vài kHz. Các hoạt động dao động tần sốđồ (ElectroEncephaloGraphy-EEG) từ não bằng các rất cao (Very High Frequency Oscillation-VHFO) trênphương ...